Фундаментальные основы и методология автоматической калибровки многопараметрических гидрологических моделей Кузьмин, Вадим Александрович

Введение к работе

Актуальность темы. Точное и своевременное прогнозирование катастрофических наводнений является одной из наиболее актуальных задач, стоящих перед международным гидрологическим сообществом. В первую очередь, это вызвано стремительными темпами роста ущерба от паводков и половодий как в Российской Федерации, так и в других странах мира. Например, если в начале ХХ века среднегодовой ущерб от наводнений в США составил 100 млн. долларов, то в его второй половине он превышал 1 млрд. долларов, а в отдельные годы последнего десятилетия – 10 млрд. долларов; прямой экономический ущерб от наводнений в Китае за первые 8 месяцев 2009 года составил 71,1 миллиарда юаней (около 10,5 миллиарда долларов), пострадали 91,88 миллиона человек и 7,1 миллиона гектар сельхозугодий; тайфун "Кетсана", вызвавший масштабные наводнения во Вьетнаме и на Филиппинах в 2009 г., повлек смерть более 1000 человек, повредил или уничтожил 360 тыс. домов, школ и других учреждений, 73 тыс. га урожая; наводнение на Кубани вызвало гибель 10 человек и материальный ущерб на сумму около 2 млрд. руб.

В условиях изменения климата и возрастающей антропогенной нагрузки на речные водосборы статистические методы прогнозирования теряют свою эффективность, и единственным методом качественного прогнозирования паводков и половодий становится математическое моделирование, эффективность которого во многом зависит от калибровки (параметризации) используемых гидрологических моделей. Однако сравнительно простые модели с небольшим количеством параметров, калибровка которых больших трудностей не вызывает, обычно не в состоянии адекватно описать весь спектр природных процессов, определяющих формирование паводков и половодий. Более сложные модели с большим числом параметров являются достаточно гибкими для моделирования катастрофических паводков и половодий в различных условиях, но их эффективная калибровка связана со значительными техническими трудностями, обусловленными ограниченностью процессорных ресурсов. Кроме того, в результате выполнения диссертационной работы было установлено, что существующие методы оптимизации параметров сложных моделей не в состоянии учесть ряд свойств многомерной поверхности целевой функции, на которой отыскиваются оптимальные наборы параметров, и по этой причине не могут применяться при автоматической калибровке оперативных гидрологических моделей.

Особую теоретическую и практическую значимость проведенным исследованиям придает возможность их непосредственного использования для усовершенствования системы прогнозирования катастрофических паводков и половодий в рамках программы «Модернизация и техническое перевооружение учреждений и организаций Росгидромета», реализация которой начата в соотвествии с Соглашением о займе (№4769 RU) между Российской Федерацией и Международным Банком Реконструкции и Развития.

Цель работы. Разработка усовершенствованных методов автоматической калибровки многопараметрических гидрологических моделей, используемых для оперативного прогнозирования опасных гидрологических явлений при различном уровне обеспеченности исходными гидрометеорологическими данными, а также повышение точности прогнозирования дождевых паводков и половодий в условиях изменения климата и переменной антропогенной нагрузки на водосборы.

Задачи исследования.

1. Анализ поведения поверхности многомерной целевой функции при изменении внешних условий, включая изменение «входа» модели и длины временных рядов, используемых для калибровки гидрологической модели;

2. Выявление причин низкой эффективности существующих методов автоматической калибровки гидрологических моделей, связанных с особенностями эволюции поверхности целевой функции;

3. Разработка фундаментального подхода к идентификации оптимальных наборов параметров оперативных гидрологических моделей на основе результатов анализа причин и особенностей эволюции поверхности целевой функции;

4. Разработка практически применимых алгоритмов автоматической калибровки многопараметрических моделей при различном уровне обеспеченности исходными данными: а) отсутствии данных об осадках; б) при низкой пространственно-временной дискретности данных об осадках; в) при низкой пространственно-временной дискретности данных о стоке; г) при отсутствии или низкой пространственной дискретности данных о типах и водоудерживающих характеристиках доминирующих почвогрунтов;

5. Выявление причин низкой эффективности существующих критериев качества гидрологических прогнозов, применяемых в качестве оптимизируемых функционалов при калибровке многопараметрических гидрологических моделей, которые используются для прогнозирования опасных гидрологических явлений (на примере дождевых паводков);

6. Разработка универсальных типов целевой функции, которая может быть использована для автоматической калибровки гидрологических моделей при технической невозможности или экономической нецелесообразности построения матрицы потерь;

7. Создание автоматизированной системы прогнозирования паводков при различном уровне обеспеченности исходной гидрометеорологической информацией на основе разработанной методологии автоматической калибровки многопараметрических моделей;

8. Создание аппаратно-программного комплекса по поиску, передаче и архивированию гидрометеорологических данных, необходимых для прогнозирования опасных гидрологических явлений;

9. Апробация разработанной методологии калибровки моделей для моделирования паводков на реальных водных объектах.

Объект исследования. Эффективность оперативных многопараметрических моделей, применяемых для прогнозирования дождевых паводков, половодий и других опасных гидрологических явлений в условиях изменения климата и при различном уровне обеспеченности исходными гидрометеорологическими данными.

Предмет исследования. Многомерная невыпуклая поверхность целевой функции, пространственно-временная изменчивость которой является ключевым фактором автоматической калибровки гидрологических моделей, используемых для прогнозирования паводков и половодий.

Методы исследований. Работа выполнена на основе классических и усовершенствованных методов гидрологического моделирования, теории оптимизации, статистического и вероятностного анализа стохастических природных процессов. Анализ и обработка результатов численных экспериментов по определению вероятностных характеристик свойств моделируемых гидрологических процессов проводились как классическими, так и разработанными соискателем статистическими методами с привлечением современной компьютерной техники.

Научная новизна. Научная новизна выполненных исследований заключается:

1. В разработке новых мультимасштабных целевых функций ASOF и MISOF;

2. В выполнении детального анализа поведения поверхности многомерной целевой функции при незначительных изменениях обучающих выборок и установлении особенностей ее эволюции во времени;

3. В разработке целого ряда фундаментальных методов параметризации многопараметрических прогностических моделей, основанных на квазилокальной оптимизации в физически предопределенном районе области определения параметров (SLS, SLS-F, SLS-2L, SLS-E и др.);

4. В разработке концепции естественной трансформации целевой функции, позволяющей повысить стабильность и надежность определяемых параметров, основанной на вычислении показателей F-робастности (нового статистического подхода, также разработанного соискателем);

5. В создании автоматизированной системы прогнозирования (АСП) «SLS+», позволяющей выполнять фоновое прогнозирование паводков в полностью автоматическом режиме (при различном уровне обеспеченности исходными данными, а также при их различной пространственно-временной дискретности);

6. В создании методологии постобработки прогнозов на основе параллельного выполнения калибровки модели и генерирования случайных ансамблей «входа» модели путем использования алгоритма SLS-E;

7. В разработке методологии и программного обеспечения по определению трансферабельных параметров гидрологических моделей, которые могут быть использованы для моделирования стока с неизученных водосборов;

8. В создании аппаратно-программного комплекса (АПК) «INWADA», предназначенного для автоматического поиска, копирования, усвоения и архивирования гидрометеорологических данных;

9. В создании концепции и программного обеспечения динамической базы данных (в рамках АПК «INWADA»).

Приведенные фундаментальные и прикладные разработки реализованы в виде учебно-оперативной автоматизированной системы прогнозирования паводков «SLS+».

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задач исследования, большим объемом использованных данных гидрометеорологических наблюдений, применением апробированных аналитических и численных методов анализа и расчета, реализацией алгоритмов и процедур расчета на современной вычислительной технике, корректным заданием исходных данных, объективным анализом полученных результатов и внедрением разработанных методов в оперативное прогнозирование паводков.

На защиту выносятся:

1. Концепция и методология калибровки гидрологических моделей на основе сглаженных естественным образом поверхностей мультимасштабных целевых функций MSOF, ASOF и MISOF;

2. Метод анализа временной изменчивости многомерных поверхностей многопараметрических целевых функций;

3. Концепция F-робастности – нового статистического метода учета стабильности локальных и глобальных оптимумов;

4. Метод текущей трансформации многомерной поверхности целевой функции путем расчета локальных индексов F-робастности в районе выполнения оптимизации;

5. Принцип повышения эффективности автоматической калибровки многопараметрических гидрологических моделей за счет квазилокальной оптимизации в физически предопределенном районе области определения параметров;

6. Методы автоматической калибровки многопараметрических моделей группы SLS (базовый алгоритм SLS и его модификации, применяемые при недостаточности исходных данных – алгоритмы SLS-F, SLS-2L, SLS-E, SLS-2LF, SLS-2LE, SLS-EF и SLS-2LEF);

7. Метод текущей постобработки прогнозов паводков на основе алгоритма SLS-E;

8. Метод идентификации трансферабельных параметров (то есть параметров, которые можно использовать для моделирования стока с неизученных водосборов);

9. Концепция аппаратно-программного комплекса по автоматическому поиску, передаче, усвоению и архивированию гидрометеорологических данных («INWADA»);

10. Концепция и методология оптимизации гидрологических моделей с полураспределенными параметрами;

11. Результаты апробации предложенных методов автоматической калибровки гидрологических моделей (выполненных на примере модели «Сакраменто»), используемых для прогнозирования дождевых паводков.

Практическая значимость проведенных в диссертационной работе исследований заключается в следующем:

11. 1. Разработанный метод анализа поведения многомерной поверхности целевой функции позволяет установить причину низкой эффективности существующих оптимизационных процедур, применяемых для калибровки гидрологических моделей;

    2. Разработанные алгоритмы квазилокальной оптимизации в физически предопределенном районе многомерной области определения параметров позволяют выполнять автоматическую калибровку и рекалибровку гидрологических моделей для большого числа гидрологических объектов (например, водотоков целой страны или крупного региона);

    3. Разработанные оптимизационные процедуры группы SLS позволяют выполнять прогнозирование паводков в регионах с недостаточно развитой сетью или с низкой пространственно-временной дискретностью гидрометеорологических наблюдений;

    4. Разработанные методы автоматической калибровки гидрологических моделей позволяют прогнозировать паводочный сток с малых и средних водосборов при отсутствии или низкой точности геологических и морфологических данных;

    5. Разработанный метод рекалибровки модели и постобработки прогнозов позволяет повысить точность прогнозирования катастрофических паводков;

    6. Разработанная автоматизированная система прогнозирования паводков «SLS+» может быть использована для фонового и точного прогнозирования паводков при любом уровне обеспеченности гидрометеорологической информацией;

    7. Созданные методы, методики, алгоритмы и процедуры являются методической основой для совершенствования системы прогнозирования паводков в Российской Федерации; сделанные выводы и полученные рекомендации могут быть использованы при планировании и выполнении мероприятий по модернизации и техническому перевооружению учреждений и организаций Росгидромета.

    Реализация результатов работы. Представленный в работе метод автоматической калибровки гидрологической модели «Сакраменто» (SLS) внедрен в оперативное прогнозирование дождевых паводков Национальной Службой Погоды США (National Weather Service) и включен в план развития системы гидрологического прогнозирования Австралии.

    Разработанная соискателем автоматизированная система прогнозирования паводков «SLS+» используется в ГОУ ВПО «Российский государственный гидрометеорологический университет» при подготовке студентов по специальности 000000 – «гидрометеорология».

    Аппаратно-программный комплекс «INWADA» используется в ГОУ ВПО «Российский государственный гидрометеорологический университет» для пополнения и обслуживания динамической базы гидрометеорологических данных.

    Методические разработки, алгоритмы и процедуры, предложенные соискателем, могут быть использованы при модернизации и техническом перевооружении учреждений и организаций Росгидромета

    Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях, совещаниях и симпозиумах: Международном совещании «Stochastic models of hydrological processes and their applications to problems of environmental preservations» (Москва, РФ, 1998 г.), Европейской конференции по инновациям в исследовании наводнений (Потсдам, Германия, 2000), Международном симпозиуме «River flood defence» (Кассель, Германия, 2000 г.), совещаниях в Техническом Университете г. Дельфт (Нидерланды, 2000 и 2001 гг.), Международной конференции «Современные проблемы стохастической гидрологии» (Москва, 2001 г.), Международном симпозиуме «Hydrological challenges in transboundary water resources management» (Кобленц, Германия, 2001 г.), весенних конференциях Американского Геофизического Союза (Бостон, США, 2001 г., Вашингтон, США, 2002 г., Ницца, Франция, 2003 г., Монреаль, Канада, 2004 г., Балтимор, США, 2006 г.), Международном совещании «River runoff: minima and maxima» (Санкт-Петербург, РФ, 2001 г.), Международном семинаре «Extreme value theory and applications» (Гетеборг, Швеция, 2001 г.), 5-ом Международном совещании «Application of remote sensing in hydrology» (Монпелье, Франция, 2001 г.), Международном симпозиуме «The extremes of the extremes» (Рейкьявик, Исландия, 2003 г.), конференции Международного союза геодезии и геофизики (Саппоро, Япония, 2003 г.), Международной конференции «Hydrology, water resources and environment» (Нанкин, КНР, 2003 г.), Международном совещании по проекту «The distributed models inter-comparison project (DMIP)» (Силвер-Спринг, США, 2004 г.), совещаниях и ежегодных конференциях проекта «eWater» (Голд-Кост, Австралия, 2007 и 2008 гг.), Международном совещании «The catchment-scale hydrological modelling & data assimilation (CAHMDA III)» (Мельбурн, Австралия, 2008 г.), 31-ом Международном симпозиуме по водным ресурсам и 4-ой Международной конференции по водным ресурсам и экологическим исследованиям «Water down under 2008» (Аделаида, Австралия, 2008 г.), 2-ой Международной конференции «HydroEco 2009» (Вена, Австрия, 2009 г.), Генеральной Ассамблее Европейского геофизического союза (Вена, Австрия, 2009 г.), семинарах в Институте водных проблем РАН, Гидрометцентре РФ, Государственном гидрологическом институте, Санкт-Петербургском государственном университете и Институте озероведения РАН (2009 г.).

    Публикации. По теме диссертации опубликованы 48 работ (в том числе 8 в изданиях, определенных ВАК РФ, и 26 работ в зарубежных изданиях на английском языке).

    Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов, списка используемой литературы из 208 наименований и приложений. Работа содержит 253 страницы текста, включая 32 рисунка и 25 таблиц.

    Похожие диссертации на Фундаментальные основы и методология автоматической калибровки многопараметрических гидрологических моделей

    Водный режим рек Европейской территории России и его изучение на основе модели формирования стокаАнтохина, Елена Николаевна

    

    Расчеты речного стока на основе модели SWAP для водосборов с недостаточным информационным обеспечениемАйзель Георгий Владимирович

    

    Разработка методики прогнозирования среднего месячного стока рек Республики Колумбия на основе динамических и стохастических моделей : На примере реки КататумбоРивера Эберт Гонсало

    Численное моделирование конвективных облаков на основе модели с параметризированной микрофизикойДядюра, Александр Владимирович

    

    Научно-методологические основы геоэкологической модели устойчивого развития Республики БангладешСаумитра Нараян Деб

    

    Исследование циркуляции вод и ее влияния на ихтиопланктон Баренцева моря на основе математической моделиТрофимов Александр Георгиевич

    Выделение репрезентативных показателей на основе графоаналитической модели при геоинформационном моделировании экологического состояния территорийМынцов, Илья Анатольевич

    

    Ансамблевый мезомасштабный прогноз погоды на основе негидростатической модели атмосферы COSMO-RUАлферов, Дмитрий Юрьевич

    Исследование процессов атмосферного загрязнения территорий Сибири на основе гидродинамических моделей и данных наблюденийЛеженин, Анатолий Александрович

    Исследование изменчивости термических характеристик деятельного слоя Северной Атлантики на основе двухслойной моделиЧанцев, Валерий Юрьевич